李政 高泰 孫康圣

摘? 要：水上環(huán)衛(wèi)機在水面污染治理和整治預防水生植物泛濫上發(fā)揮著越來越重要的作用，為使水上環(huán)衛(wèi)機能夠更智能化、更自動化、更適應創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的市場環(huán)境，水上環(huán)衛(wèi)機需要一款新型的結構控制體系，文章針對在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)市場環(huán)境需要下對水上環(huán)衛(wèi)機高效益的結構要求，在結構的收納桶、主副驅動系統(tǒng)、PLC的選型、線路布置和程序等方面做出產品設計，更加符合市場需求和時代趨勢，具備廣闊的市場前景。

關鍵詞：創(chuàng)新;垃圾清潔;機械結構;水體污染

中圖分類號：X705? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）15-0026-03

Abstract： Water sanitation machines are playing anincreasingly important role in water pollution control and prevention of flooding of aquatic plants. In order to make water sanitation machines more intelligent， automatic， and adapted to the innovative and entrepreneurial market environment， water sanitation machines need a new type of structural control system. This paper aims at the structural requirements for high efficiency of water sanitation machines under the need of innovative and entrepreneurial market environment. Product design is made in the aspects of structural storage bucket， main and auxiliary drive system， selection of PLC， line layout and program， which is in line with the market demand and the trend of the times， and has a broad market prospect.

Keywords： innovation; garbage cleaning; mechanical structure; water pollution

當前是大數據的時代，是挑戰(zhàn)與機遇共行的時代，是“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的時代。同時，自進入二十一世紀以來，水污染問題已成為全球化問題。而在中國，隨著城市建設的發(fā)展，近年來，水污染也已成為我國城市面臨的嚴重環(huán)境問題。它不僅危害到市民的公共健康，抑制我國經濟的發(fā)展，還嚴重破壞了生態(tài)平衡。面對如此嚴重的水污染問題，目前我國政府和各級地方政府及有關部門提高了對污水處理事業(yè)的重視[1]。在這樣的社會背景和時代條件下，針對河道漂浮的生活垃圾以及水生漂浮植物進行專項設計處理的新機器——水上環(huán)衛(wèi)機出現(xiàn)了，它用以避免人工打撈出現(xiàn)的諸多弊端，快速而持續(xù)的清理河道漂浮的生活垃圾，以及水生漂浮植物，管控、解決現(xiàn)存凸顯的污染問題，及時有效處理城市水面環(huán)境污染及預防整治部分水生植物泛濫。

1 水上環(huán)衛(wèi)機的結構設計及工作原理

1.1 總體結構設計（見圖1）

1.2 收納桶設計

圖1中標注1展示的是水上環(huán)衛(wèi)機的主體部分——塑料制收納桶，樣機初步設計尺寸為：上直徑500mm，下直徑130-150mm，桶深550mm，后期根據實際測算進行調整和修改。管道設計成插口式連接，方便水泵安裝、維護及更換。

其內容積相當于一個倒圓臺加一個圓柱，圓臺體積為大圓錐體積與小圓錐體積之差，即得出容積約為121.4dm3，若全部蓄滿水（假設水的密度為1g/cm3）計算流量：Q=uA（2P/p）/2

u=80 A=2.5πdm2

P=pgh Q≈15dm3/s

蓄滿水需要約12秒的時間。結論：流量過大，需用大功率水泵。

市場上約在500元價位的水泵，抽水最大工作效率一般90m3/h，合為0.025m3/s，可以正常使用，可選用最高流量在60-70m3/s之間的水泵。

根據圖1中標注6所示，在收納桶底部放置活性炭過濾網，可以有效的去除水中的雜質。在清除可見污染垃圾的基礎上，再從根本上提高水的清潔度和無毒性，改善水質，更好地維護了生態(tài)的平衡。

管道采用UPVC DN80-φ89mm（無Cl殘留，較PVC管更環(huán)保、耐用）[2]。

桶內的濾網采用普通魚線網材質，成本低，實用性強，耐腐蝕和浸泡，為了使濾網在自動提起翻倒清理垃圾時方便，需對濾網進行定型，固定其總體形狀，防止發(fā)生變形，創(chuàng)新使用十字定型法。十字形為不銹鋼制質硬鋼絲固定，在節(jié)約成本的同時也可以防止濾網在傾倒垃圾時出現(xiàn)變形，塌陷或堵塞。

勾柄：勾柄左端與濾網內的鋼條相接，右端固定在驅動濾網上升和下降的驅動構件上，驅動構件上下運動將濾網提起或放入收納桶中。

1.3 主驅動系統(tǒng)設計

其安裝于機器下端左側收納桶外壁與主驅動系統(tǒng)相連，因在設計過程中，考慮到其在驅動力作用下，容積較大且入水前所受浮力相對較強，為確保其可靠性和牢固性，故整個驅動結構和收納筒外殼選用3mm厚不銹鋼外殼。主驅動系統(tǒng)控制收納桶的上下位置，副驅動系統(tǒng)控制濾網的吊起及復位。

主驅動系統(tǒng)的動力源-電機箱，采用螺旋機構上升和下降，中間一根為絲桿，兩邊兩根為光桿，由主電機提供動力，位于頂部擋板處為其上線位極限位置，當托板上升到頂處時則停止。下部有浮球，當收納桶下降至水位以下5cm處，浮球便會觸及下限位開關，則電機停止。根據前文所述收納箱容積為121.4dm3，當收納桶浸入水中，受到向上的最大浮力約為其裝滿水的容積，即：

F浮=pgv=1189.72N

設備自重控制在65kg左右：

G=mg=637N? ?F浮-G=552.72N

出于保守考慮，實際存在摩擦損耗，阻力損耗和內能流失損耗，機械效率測算為75%，而電機也受到的是全部浮力和設備自重，也就是1189.72N。

由此可見，主驅動對動力要求較大，而采用螺旋結構，可以降低對電機的要求，有效的提高動力輸出。（而相反的是，機械效率也會降低）[3]。

1.4 副驅動系統(tǒng)設計

副驅動系統(tǒng)的主要負載對象是濾網，濾網內的垃圾以及一些輕型構件和自重，和主驅動相同，都是螺旋機構，其主要運動是：帶動濾網沿著螺桿上升并翻扣，將垃圾倒出到回收垃圾桶后并返回到收納桶內（有限位），其運動軌跡由螺桿控制，并有兩根光桿同時約束，使其翻倒垃圾時的位置能夠精確，濾網較輕，所以對電機動力要求不高。

1.5 工作原理

環(huán)衛(wèi)機的垃圾處理由1-收納桶中7-水泵接口連接水泵的制造水流落差產生渦流，將垃圾聚集并吸進4-內層收納桶漏斗，并進行周期性過濾。通過監(jiān)控水流速度和船速來調整漏斗下潛深度，以保證漩渦吸力。完成垃圾打撈后，環(huán)衛(wèi)機2-主驅動系統(tǒng)的電機箱提供電力，螺旋機構沿導軌中央的絲桿及兩端光纖做上升下降，到達頂部擋板處，上限位停止，上沿處皮帶帶動收納桶運動，將垃圾傾倒入船身，以上是環(huán)衛(wèi)機垃圾收集原理[4]。

2 電路控制系統(tǒng)PLC的選型

2.1 PLC的選型

FX2N-24MR-001是三菱公司的可編程控制器（PLC），繼電器輸出及輸入24點，輸出24點.FX2N是FX系列中功能最強、速度最高的微型PLC，其有功能很強的數學指令集?？赏ㄟ^通信擴展板或特殊適配器可實現(xiàn)多種通信和數據鏈接[5-6]。

2.2 線路布置與程序設計

2.2.1 I/O分配表及外圍接線圖

2.2.2 程序設計（見圖4）

3 市場前景分析

在生態(tài)環(huán)境保護越發(fā)得到重視的，在機械自動化取代人工的如今，機械自動化環(huán)境治理市場無疑有了朝陽產業(yè)的特點。在經過對蘇州一帶的市場調研結果分析和營銷預期后，可以對產品銷量和銷售收入做如下預測：第一年目標市場在蘇州市周莊和同里到所有景區(qū)，預測銷量1200臺，隨著產品知名度和市場接納度的提高，將市場擴大到全國各大景區(qū)，預計之后每年銷售量會增加，每年增長率為50%、28%、39%、88%[7]。

我們團隊在充分市場調研的基礎上，對水上環(huán)衛(wèi)機項目的目標市場進行了詳細的分析?？紤]到其盈利能力和經營能力，以及其風險評估，確信其發(fā)展前景十分廣闊。

參考文獻：

[1]姚震寰.長春市環(huán)境污染治理難點及對策[J].合作經濟與科技，2019（19）：22-23.

[2]李君華，李銳.基于生態(tài)設計的城市水上垃圾清潔器設計研究[J].美術大觀，2017（05）：128-129.

[3]邱江.機械化清掃船設計中幾個關鍵問題的探討[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2000（02）：52-55.

[4]劉星，楊文武，丁金美.水上流動排污案件的特點及對策措施研究[J].中國水利，2014（22）：60+72.

[5]王?；?電氣控制中的PLC自動化應用研究[J].建材與裝飾，2020（03）：233-234.

[6]孫兆華.機電自動化控制中PLC技術的應用[J].科技風，2019（36）：73.

[7]中國垃圾分類大背景下的行業(yè)競爭格局展望[J].資源再生，2019（10）：32-33.